近日，北京理工大学材料科学与工程学院熊志平等人关于钢的团簇、纳米级析出和强化方面发表顶刊综述IF=31.56，重点介绍在从高强度低合金钢到马氏体时效钢的低温体心立方相（铁素体，贝氏体-铁素体和马氏体）中的团簇形成和纳米析出；提供了关于这些特征的形核与长大的实验和模型数据；评估了可能的强化机制；最后对这些钢种的未来研究领域和挑战进行了深刻的讨论。相关研究成果以题“Clustering, nano-scale precipitation and strengthening of steels”发表在材料综述顶级期刊Progress in Materials Science上。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2020.100764
先进结构钢设计的不断创新对于制造业，汽车和建筑行业的未来发展至关重要。纳米级和原子级下发生的事件在控制钢的强度中起着至关重要的作用。目前，纳米析出强化钢的强度已经达到了1~1.5 GPa。随着高分辨率扫描透射电子显微镜和原子探针断层扫描等现代表征技术的应用，能够深入了解溶质原子团聚和纳米析出相形成的机理，以及它们与位错的相互作用与强度贡献比。
这篇综述着重介绍了当前关于具有bcc/bct基体的钢铁和黑色合金中的沉淀和析出现象的知识。在过去约20 – 25年中，该领域取得了令人瞩目的进步。最新的分析材料表征技术（例如高分辨率STEM和APT）能够洞悉原子尺度的排列，并为进一步理解从随机固溶体到团聚体的复杂演化序列奠定了基础。毫无疑问，所有这些纳米级析出物都在控制各类钢种的机械性能，尤其是在屈服强度方面发挥其特定作用。这就是为什么今后有必要更好地描述强化机制，特别是团簇强化的工作。另外，当发生一种以上的沉淀时，强度得到显著提高。因此，新钢成分的设计及其加工路线将受益于协同析出和/或协同团簇的反应和它们之间的相互作用以及所产生的单独或耦合的强化增量的理解。为此，需要开发与团簇和纳米析出物同时发生的边缘和螺旋位错相互作用的新配方。
图2.（a）在热轧低碳钢的铁素体中形成的C-Cr团簇的选定原子图。（b）C-Mo-Ti团簇和（c）（Ti，Mo）C析出在C-Mo-Ti钢的铁素体中。（d）团簇和纳米颗粒的溶质浓度与在C-Mo-Ti钢中形成的Gunier放射性的函数关系。图5.相间析出的各种形成机制示意图：（a）产生平面薄片的壁架机制和（b）产生弯曲薄片的准壁架机制；（c）导致纤维相间析出的超边缘机制（I将碳化物固定在一个单元架上，II-碳化物的生长超过铁素体的生长，以及III-壁架不会从碳化物上脱开，从而导致纤维状碳化物的形成）；（d）扩展的壁架机制图6.（a，c）在NPLE（b）和PE（d）条件下，铁素体/马氏体（本来是奥氏体）界面上的碳原子图和（b，d）组成图图7.转变温度对（a）层间间距和（b）沉淀物数量密度的影响图9.（a）碳原子图，显示了热轧低碳钢的铁素体中的Cottrell气氛；（b）C，Mo和Nb原子图显示了TMP后Nb-Al-Mo钢的多边形铁素体中的细小颗粒，（c）整个细小析出物的代表性浓度曲线。图11. TEM显微照片，显示了贝氏体的形态：（a）颗粒贝氏体[220]；（b）针状铁素体[220]；（c）上贝氏体[221]；（d）下贝氏体[220]。PF是多边形铁素体，BF是贝氏体铁素体，M是马氏体，RA是残余奥氏体。图12.位错系统的3D结构，其在0.63％的应变下具有强的析出物，显示出错综复杂的位错网络，嵌入了Orowan环图13 （a）纳米贝氏体的明场TEM图像，（b）碳原子图和相应的7.5 at。高炉中簇和碳化物的％C等浓度表面，（c）Fe-C簇和颗粒的溶质浓度随Guinier半径的变化，（d）跨Fe-C碳化物的组成分布图14 Fe-20.1Ni-1.8Mn-1.6Ti-0.59Al（wt。％）合金在823 K时效时的析出演变：（a）3.88 at。％Ti，2.92 at。Mn含量为3.38 at。600 s后出现棒状和板状（Fe，Ni）3（Ti，Al，Mn）和球形NiMnAl沉淀的％Al等浓度表面，（b）沿图中所示方框横跨板状颗粒的浓度分布（一种）; （c）原子图显示Mn和Al在（Fe，Ni）3 Ti析出物中的偏析以及新的（Fe，Ni）3（Mn，Al）析出物的成核
综述所述，现代计算机计算能力的进一步提高和第一性原理计算的应用最终将导致缩小实验观察到的体积与计算得出的体积之间的差距。这将使多尺度下（原子，纳米，微观和宏观）的理论预测和实验输出更加紧密地结合在一起，从而可以更好地洞察材料的微观结构和性能，并为合金设计和应用的未来发展奠定基础。
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